MÀNG SINH HỌC: ĐẶC ĐIỂM, SỰ HÌNH THÀNH, CÁC LOẠI VÀ VÍ DỤ - SINH HỌC

Các màng sinh học hoặc màng sinh học là các cộng đồng vi sinh vật gắn liền với một bề mặt, sống trong một ma trận ngoại bào chất polyme tự - được tạo ra. Ban đầu, chúng được mô tả bởi Antoine von Leeuwenhoek, khi ông kiểm tra "động vật" (do đó được đặt theo tên của ông), trên một đĩa vật liệu từ răng của chính ông vào thế kỷ 17.

Lý thuyết về khái niệm màng sinh học và mô tả quá trình hình thành của chúng đã không được phát triển cho đến năm 1978. Người ta phát hiện ra rằng khả năng hình thành màng sinh học của vi sinh vật dường như là phổ biến.

Hình 1. Màng sinh học do Staphylococcus aureus tạo ra trong ống thông. Nguồn: CDC / Rodney M. Donlan, Ph.D .; Janice Carr (PHIL # 7488), 2005. qua https://commons.wikimedia.org

Màng sinh học có thể tồn tại trong các môi trường khác nhau như hệ thống tự nhiên, hệ thống dẫn nước, bể chứa nước, hệ thống công nghiệp, cũng như trong nhiều phương tiện khác nhau như thiết bị y tế và thiết bị cho bệnh nhân bệnh viện (chẳng hạn như ống thông tiểu).

Thông qua việc sử dụng kính hiển vi điện tử quét và kính hiển vi laser quét đồng tiêu, người ta phát hiện ra rằng màng sinh học không đồng nhất, không có cấu trúc lắng đọng của tế bào và phù sa tích tụ, mà là cấu trúc không đồng nhất khá phức tạp.

Màng sinh học là các cộng đồng phức tạp của các tế bào liên kết trên một bề mặt, được nhúng trong một ma trận cao phân tử ngậm nước mà nước luân chuyển qua các kênh mở trong cấu trúc.

Nhiều sinh vật đã thành công trong việc tồn tại hàng triệu năm trong môi trường, ví dụ như các loài thuộc chi Pseudomonas và Legionella, sử dụng chiến lược màng sinh học trong các môi trường khác với môi trường bản địa của chúng.

Đặc điểm của màng sinh học

Các đặc tính hóa học và vật lý của nền màng sinh học

-Các chất ngoại bào cao phân tử được tiết ra bởi vi sinh vật có màng sinh học, đại phân tử polysaccharid, protein, axit nucleic, lipid và các chất tạo màng sinh học khác, hầu hết là các phân tử ưa nước, giao nhau tạo thành một cấu trúc ba chiều gọi là chất nền màng sinh học.

- Cấu trúc của ma trận có độ nhớt cao, có tính chất cao su, chịu được lực kéo và phá vỡ cơ học.

- Chất nền có khả năng bám dính vào các bề mặt phân cách, bao gồm cả không gian bên trong của môi trường xốp, thông qua các polysaccharid ngoại bào hoạt động như chất kết dính.

- Chất nền cao phân tử chủ yếu là anion và cũng bao gồm các chất vô cơ như cation kim loại.

-Nó có các kênh dẫn nước qua đó oxy, chất dinh dưỡng và các chất thải lưu thông có thể được tái chế.

- Ma trận của màng sinh học này hoạt động như một phương tiện bảo vệ và tồn tại trước môi trường bất lợi, một rào cản chống lại những kẻ xâm lược thực bào và chống lại sự xâm nhập và khuếch tán của các chất khử trùng và kháng sinh.

Đặc điểm sinh lý học của màng sinh học

-Sự hình thành của chất nền theo các gradient không đồng nhất, tạo ra nhiều loại vi sinh vật, cho phép đa dạng sinh học tồn tại trong màng sinh học.

-Trong ma trận, dạng sống tế bào hoàn toàn khác với dạng sống tự do, không liên kết. Các vi sinh vật dạng màng sinh học cố định, rất gần nhau, liên kết thành khuẩn lạc; thực tế này cho phép các tương tác cường độ cao xảy ra.

- Tương tác giữa các vi sinh vật trong màng sinh học bao gồm giao tiếp thông qua các tín hiệu hóa học trong một mã gọi là “cảm nhận đại biểu”.

-Có những tương tác quan trọng khác như chuyển gen và hình thành hệ thống vi mô hợp lực.

- Kiểu hình của màng sinh chất có thể được mô tả bằng các gen được biểu hiện bởi các tế bào liên kết. Kiểu hình này bị thay đổi theo tốc độ tăng trưởng và phiên mã gen.

-Các sinh vật bên trong màng sinh chất có thể phiên mã các gen không phiên mã các dạng sống phù du hoặc tự do của chúng.

-Quá trình hình thành màng sinh chất do các gen đặc hiệu quy định, được phiên mã trong quá trình kết dính tế bào ban đầu.

-Trong không gian hạn chế của ma trận tồn tại các cơ chế hợp tác và cạnh tranh. Cạnh tranh tạo ra sự thích nghi không đổi trong quần thể sinh vật.

- Hệ tiêu hóa tập thể bên ngoài được tạo ra, hệ thống này giữ lại các enzym ngoại bào gần tế bào.

-Hệ thống enzym này cho phép cô lập, tích lũy và chuyển hóa, hòa tan, chất dinh dưỡng dạng keo và / hoặc lơ lửng.

- Ma trận có chức năng như một khu vực tái chế chung bên ngoài, lưu trữ các thành phần của các tế bào bị ly giải, cũng đóng vai trò như một kho lưu trữ di truyền tập thể.

- Màng sinh học có chức năng như một hàng rào cấu trúc bảo vệ chống lại những thay đổi của môi trường như hút ẩm, hoạt động của chất diệt khuẩn, kháng sinh, phản ứng miễn dịch của vật chủ, tác nhân oxy hóa, cation kim loại, bức xạ tia cực tím và cũng là lớp bảo vệ chống lại nhiều loài săn mồi như động vật nguyên sinh thực bào và côn trùng.

- Chất nền của màng sinh học tạo nên một môi trường sinh thái độc đáo cho vi sinh vật, cho phép một cách sống năng động cho quần xã sinh vật. Màng sinh học là hệ thống vi sinh thực sự.

Hình thành màng sinh học

Sự hình thành màng sinh học là một quá trình trong đó vi sinh vật đi từ trạng thái đơn bào sống tự do, du cư sang trạng thái định cư đa bào, nơi sự phát triển tiếp theo tạo ra các quần xã có cấu trúc với sự biệt hóa tế bào.

Quá trình phát triển màng sinh học xảy ra để đáp ứng với các tín hiệu môi trường ngoại bào và các tín hiệu tự tạo ra.

Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu màng sinh học đồng ý rằng có thể xây dựng một mô hình giả thuyết tổng quát để giải thích sự hình thành của chúng.

Mô hình hình thành màng sinh học này bao gồm 5 giai đoạn:

Độ bám dính ban đầu với bề mặt.
Sự hình thành của một lớp đơn lớp.
Di cư để hình thành các vi khuẩn nhiều lớp.
Sản xuất chất nền ngoại bào cao phân tử.
Sự trưởng thành của màng sinh học ba chiều.

Hình 2. Quá trình hình thành màng sinh học. Nguồn: D. Davis, qua Wikimedia Commons

Độ bám dính ban đầu với bề mặt

Sự hình thành của màng sinh học bắt đầu bằng sự bám dính ban đầu của vi sinh vật vào bề mặt rắn, nơi chúng được cố định. Người ta đã phát hiện ra rằng vi sinh vật có cảm biến bề mặt và các protein bề mặt tham gia vào việc hình thành chất nền.

Ở các sinh vật không di động, khi điều kiện môi trường thuận lợi, việc sản xuất chất kết dính trên bề mặt bên ngoài của chúng tăng lên. Bằng cách này, nó làm tăng khả năng kết dính tế bào và bề mặt tế bào.

Trong trường hợp các loài di động, các vi sinh vật riêng lẻ nằm trên một bề mặt và đây là điểm khởi đầu hướng tới sự thay đổi căn bản trong cách sống của chúng từ di động tự do du mục sang ít vận động, gần như không sống.

Do đó, khả năng di chuyển bị mất trong quá trình hình thành chất nền, các cấu trúc khác nhau như lông roi, lông mao, tiêm mao và sợi tơ tham gia, ngoài các chất kết dính.

Sau đó, trong cả hai trường hợp (vi sinh vật di động và không di động), các tập hợp nhỏ hoặc vi khuẩn được hình thành và tạo ra sự tiếp xúc tế bào với cường độ cao hơn; sự thay đổi kiểu hình thích nghi với môi trường mới xảy ra ở tế bào thành đám.

Sự hình thành một lớp đơn lớp và các vi khuẩn trong lớp nhiều lớp

Quá trình sản xuất các chất cao phân tử ngoại bào bắt đầu, sự hình thành ban đầu trong đơn lớp xảy ra và sự phát triển tiếp theo trong đa lớp.

Sản xuất chất nền ngoại bào cao phân tử và sự trưởng thành của màng sinh học ba chiều

Cuối cùng, màng sinh học đạt đến giai đoạn trưởng thành, với kiến trúc ba chiều và sự hiện diện của các kênh mà nước, chất dinh dưỡng, hóa chất truyền thông và axit nucleic lưu thông qua đó.

Ma trận màng sinh học giữ lại các tế bào và giữ chúng lại với nhau, thúc đẩy mức độ tương tác cao với giao tiếp giữa các tế bào và sự hình thành của hợp lực đồng vận. Các tế bào của màng sinh học không hoàn toàn cố định, chúng có thể di chuyển bên trong nó và cũng trở nên tách rời.

Các loại màng sinh học

Số lượng loài

Theo số lượng các loài tham gia vào màng sinh học, sau này có thể được phân loại thành:

Màng sinh học của một loài. Ví dụ, màng sinh học do Streptococcus mutans hoặc Vellionela parvula hình thành.
Màng sinh chất của hai loài. Ví dụ, sự liên kết của Streptococcus mutans và Vellionella parvula trong màng sinh học cũng đã được phát hiện.
Màng sinh học đa vi khuẩn, được tạo thành từ nhiều loài . Ví dụ, mảng bám răng.

Môi trường đào tạo

Ngoài ra, tùy thuộc vào môi trường nơi chúng được hình thành, màng sinh học có thể:

Tự nhiên
Công nghiệp
Trong nước
Hiếu khách

Hình 3. Màng sinh học của vi khuẩn ưa nhiệt ở Mickey Hot Springs, Oregon, USA. Nguồn: Amateria1121, từ Wikimedia Commons

Loại giao diện nơi chúng được tạo

Mặt khác, theo kiểu giao diện nơi chúng được hình thành, có thể phân loại chúng thành:

Màng sinh học giao diện rắn-lỏng , chẳng hạn như màng sinh học được hình thành trong hệ thống dẫn nước và bể chứa, đường ống và bể chứa nước nói chung.
Màng sinh học giao diện rắn-khí (SAB cho từ viết tắt của nó trong tiếng Anh Sub Aereal Biofilms); là những quần xã vi sinh vật phát triển trên bề mặt khoáng rắn, tiếp xúc trực tiếp với khí quyển và bức xạ mặt trời. Chúng được tìm thấy trong các tòa nhà, đá sa mạc trơ trụi, núi, trong số những người khác.

Ví dụ về màng sinh học

- Mảng bám răng

Mảng bám răng đã được nghiên cứu như một ví dụ thú vị về một cộng đồng phức tạp sống trong các màng sinh học. Màng sinh học của tấm nha khoa cứng và không đàn hồi, do sự hiện diện của các muối vô cơ, tạo độ cứng cho ma trận cao phân tử.

Các vi sinh vật của mảng bám răng rất đa dạng và có từ 200 đến 300 loài liên quan trong màng sinh học.

Trong số các vi sinh vật này là:

Các chi Streptococcus ; được tạo thành từ các vi khuẩn axituric khử khoáng men và ngà răng, đồng thời gây sâu răng. Ví dụ, các loài: mutans, S. sobrinus, S. sanguis, S. salivalis, S. mitis, S. oralis và S. milleri.
Chi Lactobacillus , được tạo thành từ các vi khuẩn ưa axit làm biến tính protein ngà răng. Ví dụ: các loài: casei, L. fermentum, L. acidophillus.
Chi Actinomyces , là các vi sinh vật phân giải protein và axituric. Trong số này có các loài: viscosus, A. odontoliticus và A. naeslundii.
Và các chi khác , chẳng hạn như: Candida albicans, Bacteroides forsythus, Porphyromonas gingivalis và Actinobacillus actinomycetecomitans.

-Bộ phim trong nước đen

Một ví dụ thú vị khác là nước thải sinh hoạt, nơi các vi sinh vật nitrat hóa oxy hóa amoni, nitrit và vi khuẩn nitrat hóa tự dưỡng sống trong các màng sinh học gắn với đường ống.

Trong số các vi khuẩn oxy hóa amoni của các màng sinh học này, các loài chiếm ưu thế về số lượng là các loài thuộc giống Nitrosomonas, phân bố khắp ma trận của màng sinh học.

Các thành phần đa số trong nhóm chất oxy hóa nitrit là các thành phần thuộc giống Nitrospira, chỉ nằm ở phần bên trong của màng sinh học.

- Màng sinh học phụ

Màng sinh học subaerie được đặc trưng bởi sự phát triển loang lổ trên các bề mặt khoáng chất rắn như đá và các tòa nhà đô thị. Các màng sinh học này biểu hiện các mối liên hệ chủ đạo của nấm, tảo, vi khuẩn lam, vi khuẩn dị dưỡng, động vật nguyên sinh, cũng như các động vật cực nhỏ.

Đặc biệt, màng sinh học SAB sở hữu các vi sinh vật hóa trị, có khả năng tận dụng các hóa chất khoáng vô cơ làm nguồn năng lượng.

Các vi sinh vật quang hóa có khả năng oxy hóa các hợp chất vô cơ như H ₂ , NH ₃ , NO ₂ , S, HS, Fe ²⁺ và tận dụng thế năng điện sinh ra từ quá trình oxy hóa trong quá trình chuyển hóa của chúng.

Trong số các loài vi sinh vật hiện diện trong màng sinh học phụ là:

Vi khuẩn thuộc giống Geodermatophilus; vi khuẩn lam thuộc các chi C hrococcoccidiopsis, các loài coccoid và dạng sợi như Calothrix, Gloeocapsa, Nostoc, Stigonema, Phormidium,
Tảo lục thuộc các chi Chlorella, Desmococcus, Phycopeltis, Printzina, Trebouxia, Trentepohlia và Stichococcus.
Vi khuẩn dị dưỡng (chiếm ưu thế trong các màng sinh học dưới họ): Arthrobacter sp., Bacillus sp., Micrococcus sp., Paenibacillus sp., Pseudomonas sp. và Rhodococcus sp.
Các vi khuẩn và nấm chemoorganotrophic như Actynomycetales (streptomycetes và Geodermatophilaceae), Proteobacteria, Actinobacteria, Acidobacteria và Bacteroides-cytophaga-Flavobacterium.

-Bio phim về tác nhân gây bệnh ở người

Nhiều vi khuẩn được coi là tác nhân gây bệnh cho người sống trong màng sinh học. Trong số này có: Vibrio cholerae, Vibrio parahaemolyticus, Vibrio fischeri, Vellionela parvula, Streptococcus mutans và Legionella pneumophyla.

-Bệnh dịch hạch

Mối quan tâm là sự lây truyền của bệnh dịch hạch do bọ chét cắn, một sự thích nghi tương đối gần đây của tác nhân vi khuẩn gây ra bệnh này, Yersinia pestis.

Vi khuẩn này phát triển như một lớp màng sinh học gắn với hệ tiêu hóa trên của vectơ (bọ chét). Trong khi bị cắn, bọ chét tiết ra màng sinh học có chứa Yersinia pestis ở lớp hạ bì, do đó bắt đầu lây nhiễm.

- Ống thông tĩnh mạch bệnh viện

Các sinh vật được phân lập từ màng sinh học trên các ống thông tĩnh mạch trung tâm được mở rộng bao gồm một loạt vi khuẩn Gram dương và Gram âm đáng kinh ngạc, cũng như các vi sinh vật khác.

Một số nghiên cứu khoa học báo cáo là vi khuẩn Gram dương có màng sinh học trong ống thông tĩnh mạch: Corynebacterium spp., Enterococcus sp., Enterococcus faecalis, Enterococcus faecium, Staphylococcus spp., Staphylococcus aureus, Staphylococcus epidermidis, Stppreptococcus spp. và Streptococcus pneumoniae.

Trong số các vi khuẩn Gram âm được phân lập từ các màng sinh học này, những vi khuẩn sau được báo cáo: Acinetobacter spp., Acinetobacter calcoaceticus, Acinetobacter anitratus, Enterobacter cloacae, Enterobacter aerogens, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Klebsiella oxytoca putpp, Pida somonas put. . và Serratia marcescens.

Các sinh vật khác được tìm thấy trong các màng sinh học này là: Candida spp., Candida albicans, Candida Tropicalis và Mycobacterium chelonei.

-Trong ngành công nghiệp

Liên quan đến hoạt động của ngành công nghiệp, màng sinh học tạo ra các vật cản đường ống, hư hỏng thiết bị, can thiệp vào các quá trình như truyền nhiệt khi bao phủ bề mặt bộ trao đổi hoặc ăn mòn các bộ phận kim loại.

Ngành công nghiệp thực phẩm

Việc hình thành màng trong ngành công nghiệp thực phẩm có thể tạo ra các vấn đề sức khỏe cộng đồng và hoạt động đáng kể.

Các mầm bệnh liên quan trong màng sinh học có thể làm ô nhiễm các sản phẩm thực phẩm với vi khuẩn gây bệnh và gây ra các vấn đề sức khỏe cộng đồng nghiêm trọng cho người tiêu dùng.

Trong số các màng sinh học của mầm bệnh liên quan đến ngành công nghiệp thực phẩm là:

Listeria monocytogenes

Tác nhân gây bệnh này sử dụng trong giai đoạn đầu của quá trình hình thành màng sinh học, trùng roi và các protein màng. Hình thành màng sinh học trên bề mặt thép của máy thái.

Trong ngành công nghiệp sữa, màng sinh học của Listeria monocytogenes có thể được tạo ra trong sữa dạng lỏng và các sản phẩm sữa. Bã sữa trong đường ống, bể chứa, thùng chứa và các thiết bị khác tạo điều kiện cho sự phát triển của các màng sinh học của mầm bệnh này sử dụng chúng làm chất dinh dưỡng có sẵn.

Pseudomonas

Màng sinh học của những vi khuẩn này có thể được tìm thấy trong các cơ sở công nghiệp thực phẩm, chẳng hạn như sàn nhà, cống rãnh, và trên các bề mặt thực phẩm như thịt, rau và trái cây, cũng như các dẫn xuất axit thấp của sữa.

Pseudomonas aeruginosa tiết ra một số chất ngoại bào được sử dụng để hình thành chất nền cao phân tử của màng sinh học, bám dính vào một lượng lớn vật liệu vô cơ như thép không gỉ.

Pseudomonas có thể cùng tồn tại trong màng sinh học cùng với các vi khuẩn gây bệnh khác như Salmonella và Listeria.

Salmonella

Các loài vi khuẩn Salmonella là tác nhân gây bệnh đầu tiên của bệnh vi khuẩn lây truyền từ động vật sang người và bùng phát ngộ độc thực phẩm.

Các nghiên cứu khoa học đã chỉ ra rằng Salmonella có thể bám dính dưới dạng màng sinh học trên bề mặt bê tông, thép và nhựa trong các cơ sở nhà máy chế biến thực phẩm.

Các loài Salmonella có cấu trúc bề mặt với đặc tính kết dính. Ngoài ra, nó tạo ra cellulose như một chất ngoại bào, là thành phần chính của chất nền polyme.

Escherichia coli

Nó sử dụng roi và các protein màng trong bước đầu tiên của quá trình hình thành màng sinh học. Nó cũng tạo ra cellulose ngoại bào để tạo ra khung ba chiều của chất nền trong màng sinh học.

Khả năng đề kháng của màng sinh học với chất khử trùng, chất diệt khuẩn và kháng sinh

Màng sinh học bảo vệ các vi sinh vật tạo nên chúng trước tác động của chất khử trùng, chất diệt khuẩn và thuốc kháng sinh. Các cơ chế cho phép tính năng này như sau:

Sự xâm nhập chậm của chất kháng khuẩn qua ma trận ba chiều của màng sinh học, do sự khuếch tán rất chậm và khó đạt được nồng độ hiệu quả.
Tốc độ phát triển bị thay đổi và sự trao đổi chất thấp của vi sinh vật trong màng sinh học.
Những thay đổi trong phản ứng sinh lý của vi sinh vật trong quá trình phát triển của màng sinh học, với sự thay đổi biểu hiện gen kháng thuốc.

Người giới thiệu

Màng sinh học vi khuẩn. (2008). Các chủ đề hiện tại trong Vi sinh vật học và Miễn dịch học. Biên tập viên Tony Romeo. Quyển 322. Berlin, Hannover: Springer Verlag. tr301.
Donlan, RM và Costerton, JW (2002). Màng sinh học: cơ chế tồn tại của vi sinh vật có liên quan đến lâm sàng Đánh giá vi sinh lâm sàng. 15 (2): 167-193. doi: 10.1128 / CMR.15.2.167-193.2002
Fleming, HC và Wingender, F. (2010). Ma trận màng sinh học. Nature Nhận xét Vi sinh vật học. 8: 623-633.
Gorbushina, A. (2007). Cuộc sống trên đá. Vi sinh môi trường. 9 (7): 1-24. doi: 10.1111 / j.1462-2920.2007.01301.x
O'Toole, G., Kaplan, HB và Kolter, R. (2000). Sự hình thành màng sinh học như sự phát triển của vi sinh vật. Đánh giá hàng năm về vi sinh 54: 49-79. doi: 1146 / annurev.microbiol.54.1.49
Hall-Stoodley, L., Costerton, JW và Stoodley, P. (2004). Màng sinh học vi khuẩn: từ môi trường tự nhiên đến các bệnh truyền nhiễm. Nature Nhận xét Vi sinh vật học. 2: 95-108.
Whitchurch, CB, Tolker-Nielsen, T., Ragas, P. và Mattick, J. (2002). DNA ngoại bào cần thiết cho sự hình thành màng sinh học của vi khuẩn. 259 (5559): 1487-1499. doi: 10.1126 / khoa học.295.5559.1487

MÀNG SINH HỌC: ĐẶC ĐIỂM, SỰ HÌNH THÀNH, CÁC LOẠI VÀ VÍ DỤ - SINH HỌC - 2025